Un nuevo trabajo realizado por astrofísicos de la Universidad Estatal de Michigan puede ayudar a resolver una pregunta científica que ha persistido durante más de un siglo: ¿De dónde provienen los rayos cósmicos galácticos?
Rayos cósmicos: partículas de alta energía que viajan a una velocidad cercana a la de la luz y que se sabe provienen del interior de la Vía Láctea y de regiones más distantes del universo. Sin embargo, su punto preciso no ha quedado claro desde su descubrimiento en 1912. Shuo Zhang, profesor asistente de física y astronomía en MSU, y su equipo de investigación realizaron dos estudios que proporcionan nuevas pistas sobre dónde pueden formarse estas partículas. Los resultados se compartieron recientemente en la 246ª reunión de la Sociedad Astronómica Estadounidense en Anchorage, Alaska.
Estas partículas de rápido movimiento pueden formarse en entornos extremos como agujeros negros, regiones de formación estelar o restos de estrellas que explotaron. Tales eventos son capaces de producir neutrinos, partículas diminutas, casi sin masa, que viajan constantemente por el espacio y la Tierra.
“Los rayos cósmicos son mucho más relevantes para la vida en la Tierra de lo que se podría pensar”, afirmó Zhang. “Cada segundo, alrededor de 100 billones de neutrinos cósmicos de fuentes distantes, parecidas a agujeros negros, pasan a través de su cuerpo. ¿No quiere saber de dónde vinieron?”
Explora el acelerador de partículas más extremo de la naturaleza
Las fuentes que producen rayos cósmicos son lo suficientemente potentes como para impulsar protones o electrones a energías mucho más allá de las que pueden alcanzar los aceleradores de partículas fabricados por el hombre. El grupo de Zhang se centra en comprender estos aceleradores naturales, llamados PeVatrons, para determinar qué son, dónde están ubicados y cómo impulsan las partículas a energías tan extraordinarias. Obtener información sobre estos procesos también puede ayudar a los científicos a abordar cuestiones más amplias sobre la formación de galaxias y la naturaleza de la materia oscura.
Nuevos conocimientos a partir de estudios de rayos X de candidatos a PeVatron
En sus últimas publicaciones, Zhang y sus estudiantes investigaron candidatos de PeVatron cuyos orígenes aún no se han identificado. En el primer estudio, el investigador postdoctoral Stephen DeCarby examinó una sorprendente fuente de alta energía encontrada por el Gran Observatorio de Duchas de Aire a Gran Altitud (LHASO). Aunque LHAASO identificó la fuente, aún se desconocía su verdadera naturaleza. Utilizando observaciones de rayos X realizadas con el telescopio espacial XMM-Newton, DeCarby identificó una nebulosa de viento púlsar, una vasta región llena de electrones energéticos y partículas que reciben energía de un púlsar. Este descubrimiento confirma que la candidata es una fuente de rayos cósmicos púlsar tipo nebulosa de viento. Sólo un pequeño número de Pevatrons están clasificados como tales.
Observación dirigida por estudiantes de fórmulas LHAASO adicionales.
El segundo estudio fue realizado por los estudiantes universitarios de MSU Ella Weir, Amiri Walker y Shan Karim. Utilizaron el telescopio de rayos X Swift de la NASA para examinar la señal de rayos X de la fuente de rayos cósmicos LHAASO, mucho menos estudiada. Al calcular un límite superior de emisión de rayos X, sus resultados podrían ayudar a guiar futuras investigaciones de objetos similares.
“Al identificar y clasificar las fuentes de rayos cósmicos, esperamos que nuestros esfuerzos puedan proporcionar un catálogo completo de fuentes de rayos cósmicos con clasificación”, dijo Zhang. “Esto puede servir como legado para que futuros observatorios de neutrinos y telescopios tradicionales estudien más profundamente los procesos de aceleración de partículas”.
Una combinación de observaciones de neutrinos, rayos X y rayos gamma.
El equipo de Zhang examinará a continuación las fuentes de rayos cósmicos combinando datos del Observatorio de Neutrinos IceCube con resultados de telescopios de rayos X y rayos gamma. Su propósito es determinar por qué algunas fuentes de rayos cósmicos emiten neutrinos mientras que otras no, así como identificar dónde y cómo se producen esos neutrinos.
“Este trabajo requerirá la colaboración entre físicos de partículas y astrónomos”, dijo Zhang. “Este es un proyecto ideal para el grupo de física de altas energías de la MSU”.
Esta investigación fue apoyada por varias subvenciones de observación de la NASA y una subvención de análisis IceCube de la Fundación Nacional de Ciencias.
